遥控潜水器和/或自主潜水器的制作方法

本发明涉及遥控潜水器和/或自主潜水器。

背景技术：

本发明涉及在水下使用的遥控潜水器或rov，和/或自主潜水器或auv。

rov通常包括“水下”单元或潜水器(潜水器)、顶部遥控单元(顶部单元)和将两个单元连接在一起的脐带缆，用于将控制信号从顶部单元传输到潜水器，并将信息、视频和信号从潜水器传输到顶部单元。脐带缆也可以为潜水器传输电力，或者潜水器可以自身带有电源(电池)。

auv与rov的不同之处在于，auv无脐带缆，总是携带自己的电源，并且通过编程使用传感器和/或位置信息自行完成特定任务。auv可以在没有缆绳的情况下与地面通信，但是可以向任何方向发送的信息量都是有限的。

rov/auv推进器在靠近水底或在水下结构或沉船内工作时会扰动淤泥。淤泥会中度至严重影响可见度，并对测量和取样产生不利影响。淤泥扰动是冲向底部或淤泥表面的推力造成的，或者是潜水器运动的湍流或水动力效应造成的。避免淤泥扰动是在淤泥附近工作的rov/auv的共同要求。

本发明的一个目的是提供一种遥控潜水器，或者至少为公众或工业提供一项有用的选择。

技术实现要素：

根据一个实例性实施方案，提供了一种潜水器，包括：

潜水器主体，具有中心、前部、后部、侧面、顶部和底部；

多个推进器，排列成使得推进器相对于潜水器中心偏离竖直方向和水平方向，推进器位于潜水器的拐角处，推进器的偏离使得来自推进器的推力处于由从潜水器主体的前部伸出的截头圆锥体限定的区域之外，该截头圆锥体定中心在潜水器前部的中心；和

控制器，可操作以启动推进器从而使潜水器在期望的方向上移动。

优选地，来自所述推进器的推力还位于由从所述潜水器主体的后部伸出的截头圆锥体限定的区域之外，该截头圆锥体定中心在所述潜水器的后部的中心。

优选地，潜水器还具有位于潜水器前部的圆顶，该截头圆锥体具有小端和大端，圆锥体的小端基本上与圆顶的尺寸相同。

优选地，相机镜头位于圆顶中，并且基本上水平指向潜水器的前部，推进器定位成使得推进器位于潜水器上，使得推进器位于镜头前方的竖直面内。

替代地，用平窗代替圆顶。

优选地，推进器偏离竖直方向和水平方向40至50度。

更优选地，推进器偏离竖直方向和水平方向44至46度。

更优选地，推进器偏离竖直方向和水平方向45度。

优选地，多个推进器是8个推进器。

优选地，控制器可操作为用少于8个推进器来移动潜水器。

优选地，控制器可操作为检测不可操作的推进器。

优选地，控制器可操作为检测可被推进器操作扰动的物体，并操作推进器以使扰动最小化。

优选地，可能被扰动的物体是淤泥。

优选地，潜水器是遥控的。

替代地，潜水器是遥控潜水器。

替代地，潜水器是自主的。

替代地，潜水器是自主潜水器。

根据另一实例实施方案，提供了一种潜水器，包括：

潜水器主体，具有中心；

多个推进器；和

控制器，可操作以启动推进器从而使潜水器在期望的方向上移动，其中控制器可操作为利用少于全部的多个推进器来移动潜水器。

优选地，控制器可操作为检测不可操作的推进器。

优选地，控制器可操作为检测可能被推进器操作扰动的物体，并操作推进器以使扰动最小化。

优选地，可能被扰动的物体是淤泥。

优选地，多个推进器是8个推进器。

优选地，其中潜水器是遥控的。

替代地，潜水器是遥控潜水器。

替代地，潜水器是自动的。

替代地，潜水器是自主潜水器。

根据又一实例实施方案，提供了一种潜水器，包括：

潜水器主体，具有中心；

多个推进器；和

控制器，可操作以启动推进器从而使潜水器在期望的方向上移动，其中控制器可操作为检测可能被推进器操作扰动的物体，并操作推进器以使扰动最小化。

优选地，可能被扰动的物体是淤泥。

优选地，多个推进器是8个推进器。

优选地，潜水器是遥控的。

替代地，潜水器是遥控潜水器。

替代地，潜水器是自主的。

替代地，潜水器是自主潜水器。

应当认识到，在不同的管辖范围内，术语“包括”、“包含”和“含有”可以具有排他性或包容性含义。出于本说明书的目的，除非另有说明，否则这些术语旨在具有包含性含义，即，将这些术语理解为包括所列出的直接引用的组件，并且可能还包括其他未指定的组件或元件。

本说明书中对任何文献的引用并不构成承认其为现有技术、可与其他文献有效组合或其构成公知常识的一部分。

附图说明

并入说明书中并构成说明书一部分的附图说明了本发明的实施方案，并且与上面给出的对本发明的概述以及下面给出的对实施方案的详细描述一起，用于解释本发明的原理，在附图中：

图1是实例性实施方案的潜水器的等距视图；

图2是实例实施方案的顶部电子单元的视图；

图3是图1的潜水器的前视图；

图4是图1的潜水器的端视图；

图5是图1的潜水器的俯视图；

图6是图1的潜水器的仰视图；

图7是潜水器的一个实施方案的示意图，示出了推进器矢量；

图8是潜水器的另一个实施方案的示意图，示出了推进器矢量；

图9是图1所示潜水器的等轴视图，示出了一个截头圆锥体，其中推进器不将任何推力引导入该截头圆锥体；

图10是图1所示潜水器的俯视图，示出了一个截头圆锥体，其中推进器不将任何推力引导入该截头圆锥体；

图11是图1所示潜水器的仰视图，示出了一个截头圆锥体，其中推进器不将任何推力引导入该截头圆锥体；

图12是图1所示潜水器的第一侧视图，示出了一个截头圆锥体，其中推进器不将任何推力引导入该截头圆锥体；以及

图13是图1所示潜水器的第二侧视图，示出了一个截头圆锥体，其中推进器不将任何推力引导入该截头圆锥体。

具体实施方式

控制

在图1和图3至图6所示的一个实施方案中，潜水器100包含8个推进器101-108，分别位于开口矩形设计的拐角处。推进器101-108以图1和图3-6所示的方式偏离竖直方向和水平方向。优选地，偏离竖直方向和水平方向40至50度。更优选地，偏离竖直方向和水平方向44至46度。甚至更优选地，偏离竖直方向和水平方向45度。

应该注意的是，这种推进器配置的纵摇控制取决于长度与高度的差异在合理范围内的潜水器100。

这种配置的推进器允许独立控制三个旋转轴(横摇、纵摇和艏摇)，三个平移轴为x/纵向/纵荡；y/横向/横荡；和z/竖直/垂荡。

在使用时，潜水器100具有向前的方向，并且圆顶121位于潜水器100的前部。圆顶通常透明，并且可以用平窗代替。潜水器100具有前部、后部、侧面、顶部和底部。圆顶121通常容纳至少一个具有镜头125的相机。圆顶121可以容纳一个以上的镜头。潜水器100的后部也可以具有圆顶122。通常，潜水器后部的圆顶122较小，并且也可以容纳相机。

参考图7和图8，示出了推进器101-108的两个对准选项。参考图7，潜水器300具有8个推进器和一个前圆顶321。推力角由箭头301-308示出。推力角均指向远离前圆顶和后部的方向。参照图8，类似地，潜水器400具有8个推进器和一个前圆顶421。推力角由箭头401-404和406-408示出。推力角均指向远离前圆顶和后部的方向。

因此，推进器101-108不会将水引向圆顶前面。这可以在图9至图13中看到，图9至图13以虚线示出了截头圆锥体161，并且示出了未引入推力的区域。截头圆锥体161定中心在潜水器100的前部中心，并具有较小端162和较大端163。截头圆锥体161的较小端162的直径与圆顶121的直径基本相同。这使得圆顶121中的相机镜头125不受阻碍。类似地，推进器101-108也未将推力引导入潜水器100后部122处的截头圆锥体区域。该截头圆锥体定中心在潜水器前部的中心。该后截头圆锥体的较小端的直径与前圆顶121的直径基本相同。

在一个实施方案中，截头圆锥角比推进器的角度小大约90度。例如，如果推进器角度为45度，则锥角约为45度；如果推进器角度为50度，则锥角约为40度。其他锥角也是可能的，例如锥角可以与镜头的角度相关。

推力角的这种方位使得能够使用带有鱼眼镜头的相机，而镜头视野不受推进器101-108的阻碍。进一步参考图6，推进器101-104定位成使得它们位于镜头125的平面之后。参照图6，类似地，推进器105-108位于潜水器后部122的镜头前方。

控制系统135使用方位符号和量值来表示推力(单个推进器的推力或组合输出的效果)，下面称之为推力矢量。

在一个实施方案中，其中潜水器100上使用的推进器101-108在前向方向120上的最大推力输出具有轻微的偏差，推进器101-108可以放置成使得当潜水器向前移动时，推进器均向前驱动以实现最大总推力。这导致横向或竖直移动时的最大总推力低于向前移动时的最大总推力。

潜水器100优选是平衡的，使得质心和浮力中心相同。这使得潜水器100能够以最少的能耗保持在水中的任意位置。这与大多数潜水器截然不同，大多数潜水器的浮力中心通常远高于质心。

在实例实施方案中，潜水器100包含船载3轴陀螺仪131和3轴加速度计132。来自这两个传感器(可以组合成一个设备)的传感器数据可选地使用卡尔曼滤波器进行融合，以产生精确且响应的横摇、纵摇和艏摇角(欧拉角)、方位四元数或任何其他方位符号输出和旋转速率的表示(例如，包括旋转速率的方位的全四元数)。

潜水器100可以包含船载3轴电子罗盘133，该3轴电子罗盘133可以可选地使用卡尔曼滤波器与陀螺仪131的输出融合，以增加罗盘的响应性。如果启用罗盘133，则可以使用罗盘133来代替来自陀螺仪的艏摇角，以保持航向，该航向不受陀螺仪艏摇数据中存在的漂移影响。

顶部电子单元201向潜水器100发送指示目标欧拉角、方位四元数或其他方位符号的命令。这些在下文中称为“命令方位”。

控制系统135负责在静止和运动时保持潜水器100在水中的姿态。

控制系统135使用控制回路反馈机制来保持“命令方位”。控制回路可以利用方位和变化率两者。这种反馈机制的输出是一个矢量，该矢量对应于校正和保持“命令方位”所需的总推力。我们称这个推力矢量为稳定推力矢量。

顶部单元201还可以向潜水器100发送指示目标平移(x，y，z)推力的命令。如果潜水器配备有用于非常精确地确定其沿着任何平移轴移动的速度或其沿着该轴的位置的装置，则顶部单元201可以发送命令来指示移动的速度和/或沿着该轴移动的距离。

潜水器100上的深度传感器134允许非常精确地确定竖直(z)位置(深度)和变化率。

多普勒速度日志可用于确定沿纵轴和横轴(x轴和y轴)行进的速度和距离。其他速度传感器也可用于测量沿纵轴和横轴的速度。

对于相对位置数据或运动速率数据可用(或可合理计算)的平移轴，控制系统135可采用控制回路反馈机制来保持位置、速度、深度或变化速率。

将平移推力放在推力矢量中，并加上稳定推力矢量。所得到的推力矢量就是目标推力矢量。

控制系统135配置有从质心测量的每个推进器101-108的位置，以及每个推进器从纵轴朝向横轴和竖直轴偏离的角度。该信息用于计算杠杆臂的长度，然后使用简单的几何图形来计算每个单独的推进器应用于潜水器的推力矢量。

虽然可以使用线性代数伪逆从目标推力矢量计算出单个推进器的速度，但是该解可能只是局部优化的，并且可能导致万向节锁定。此外，当一个或多个推进器失效时，重新计算最优伪逆的成本可能很高。

相反，该系统通过迭代方法将目标推力矢量转换成一组单独的推进器101-108速度。

为了减少对每个推进器101-108的所有可能的向前和向后速度的迭代(该过程可能花费非常长的时间来完成)，通过仅查看推进器101-108的某些逻辑分组来简化该问题。

每个分组指示8个推进器101-108中的每一个是向前运行(1)、向后运行(-1)还是不使用(0)，即推进器使用状态。大部分的分组都是经过选择的，这样它们就有了特定的目标，例如，向前运行所有的推进器会使潜水器向前移动，而没有任何横向、竖直或扭矩分量。使用所有8个推进器101-108的其他分组允许独立进行横摇、纵摇、艏摇、横向和竖直运动。此外，有4组推进器可以实现相同的独立控制。除此之外，我们还增加了一个小组，包括4个推进器组，这些组并不是最佳的——例如，它们可能会很大程度上导致潜水器横摇，但也会导致其他一些(不希望的)运动。我们还增加了所有相邻的两个推进器组和所有单独的推进器。

在下面的表1中，推进器是101-108：底部前左舷、底部前右舷、顶部前左舷、顶部前右舷、底部后左舷、底部后右舷、顶部后左舷、顶部后右舷。

表1推进器组

*对于图1-6中所示的潜水器(仅对潜水器在替代方位上的描述有所变化)

这些组中每一组的推力矢量都是在初始化期间计算的。

为此，控制系统135最初设定剩余推力矢量等于目标推力矢量，并且每个推进器速度最初设定为零。

然后，控制系统135迭代与每个组相关联的推力矢量，以找到单位矢量与单位目标推力矢量具有最佳最小二乘近似的那个组(称为最佳组)。增加了使用更多推进器的小偏差，因为可以存在具有4个和8个推进器的解决方案，这种解决方案同样是最佳。最佳组的推力矢量由剩余推力矢量和最佳组的推力矢量的点积(或等值)来定标。该向量就是输出向量。

输出矢量的大小乘以每个推进器的使用状态(-1、0或1)，并加到该推进器的推进器速度上。

剩余推力矢量设置为剩余推力矢量和输出矢量之间的差值。如果剩余推力矢量的值很大，并且没有达到迭代的极限，则该过程继续到下一次迭代。

控制系统135可以补偿推进器101-108的故障。故障推进器可以通过几种方式检测：可通过无刷dc电机的速度控制器实现的推进器rpm反馈可用于检测失速推进器或螺旋桨损坏的推进器；操作者可手动禁用推进器101-108；和/或可以分析稳定推力矢量，以确定其是否显示与单个(或多个)推进器故障一致的偏差。在所有情况下，控制系统135将推进器标记为故障。

当迭代确定一个或多个失效推进器101-108的推进器速度时，对使用任何失效推进器的组均不作评估。

这些推进器组平衡了计算时间和求解精度，不同的推进器组可以有类似的效果。

抗淤泥

使用矢量推进器的潜水器100的推进器101-108可在不期望的方向上(朝向淤泥)具有推力要素。例如，当潜水器100向前移动时，如果下尾部推进器101、102、105、106接合，则其将向下引导水。海底往往会有一层很容易被搅动的细泥沙。在残骸内部，不仅潜水器100下方的表面上存在淤泥，而且在潜水器100前面或后面的表面上也可以发现淤泥。使远离潜水器100的水的扰动最小化是有用的。

并非需要使用所有的推进器101-108来实现期望的运动——可以对推进器101-108进行选择，使得其将不期望的推力矢量最小化(例如，当向前移动时，如果仅使用向前的4个推进器101-104，则来自上部推进器103、104的向下分量被来自下部推进器101、102的向上分量抵消。当反向移动时，尾部4个推进器105-108可以用于类似的效果)。在一些情况下，可以使用远离淤泥的推进器来代替最靠近淤泥的推进器(例如，当靠近底部时，仅使用顶部的4个推进器103、104、107、108来驱动潜水器向上/向下移动)。

当评估目标推力矢量时，任何正纵向分量(向前)仅使用向前的4个推进器101-104。对于负纵向分量(反向)，仅使用尾部4个推进器105-108。对于任一方向的任何竖直分量，仅使用上部的4个推进器103、104、107、108。对于左舷的任何横向分量，仅使用右舷4个推进器102、104、106、108，对于右舷的任何横向分量，仅使用左舷4个推进器101、103、105、107。对于向右舷艏摇，仅使用前左舷推进器101、103和前右舷推进器106、108。对于向左舷艏摇，仅使用前右舷推进器102、104和后左舷推进器105、107。对于向下纵摇，仅使用顶部向前推进器103、104和后底部推进器105、106。对于向上纵摇，仅使用底部向前推进器101、102和后顶部推进器107、108。对于向右横摇(顺时针方向)，仅使用底部向前右舷推进器102、顶部向前左舷推进器103、底部向后右舷推进器106和顶部向后左舷推进器107。对于向左横摇(逆时针方向)，仅使用底部向前左舷推进器101、顶部前右舷推进器104、底部后左舷推进器105和顶部后右舷推进器108。

此外，任何单个推进器的最大推力都可以受到限制，包括运动和稳定性控制，以最小化对水的扰动。

当这些机构单独或一起应用时，提供了一种最小化淤泥扰动的机制。

虽然已经通过对本发明实施方案的描述说明了本发明，并且虽然已经详细描述了这些实施方案，但是申请人并不旨在将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这些细节。对于本领域技术人员来说，附加的优点和修改将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于特定的细节、代表性设备和方法以及所示和所述的说明性实例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以脱离这些细节。

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